www.jki.bund.de
Resistenzzüchtung – Grundlage zukünftigerPflanzenschutzstrategien
Frank Ordon
Resistenzzüchtung
P. hordei P. striiformis B. graminis
P. teres R. commune U. nuda
BaMMV/BaYMV BYDV
InsektenKrankheitenUnkräuter
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
http://www.transgen.de/pflanzenforschung/pflanzengesundheit/
Ges
amt
Rei
s
Sor
ghum
Mai
s
Haf
er
Wei
zen
Ger
ste
Rog
gen
Kar
toff
el
Zuc
kerr
ohr
Resistenzzüchtung von besonderer Bedeutung:
•Vermeidung von Ertragsverlusten •Gewährleistung einer umwelt- und verbraucherfreundlichen Pflanzenproduktion•Schonung natürlicher Ressourcen (Boden, Wasser, Biodiversität)•Zunehmende Bedeutung durch Wegfall von Wirkstoffen •Zunehmende Bedeutung durch Resistenzbildung auf Erregerseite
…
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
NAP Seite 11
NAP Seite 50
Erfolge der Resistenzzüchtung: Weizen
MehltauMehltau Braunrost
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Pyrenophora tritic repentisSeptoria tritici
Bundessortenamt
Beschreibende Sortenliste 2017
Winterweichweizen (Triticum aestivum L.)
Sorten- Anfälligkeit für Ertragseigenschaften
bezeichnungMehltau Blattseptoria DTR Gelbrost Braunrost Ährenfusarium
Kornertrag Kornertrag
Stufe 1 Stufe 2
neu Achim 1 3 4 1 2 4 8 7
Erfolge der Resistenzzüchtung: Weizen
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
neu Achim 1 3 4 1 2 4 8 7
Apian) 2 3 4 2 3 4 7 7
neu Chiron 2 3 5 2 3 3 8 6
Dichter 4 2 4 2 3 4 7 6
neu Kamerad 1 3 5 2 3 3 8 7
KWS Smart1) 2 3 4 2 4 3 8 8
LG Kopernikus1) 3 3 4 2 3 3 7 7
Moschus 1 3 4 2 4 3 5 4
neu Safari1) 3 3 4 2 2 5 9 7
1) Resistenz gegen Orangerote Weizengallmücke
0
0,25
0,5
0,75
1
1996 1998 2000 2002 2004 2005 2006 2007 2008
Sorten ohne Resistenzgen Sorten mit LR37Thatcher NIL-Lr37
Thatcher ohne Resistenz
Die unendliche Geschichte
Lr37: 2004 2013
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Asfaw Adugna , 2004. Alternate Approaches in Deploying Genes for Disease Resistance in Crop Plants. Asian Journal of Plant Sciences, 3: 618-623.
Wildarten Landsorten Moderne Sorten
Tanksley and McCouch, 1997Endresen et al, 2011
Nutzbarmachung genetischer Diversität
H. vulgare
Cultivars
Landraces
H. vulgare ssp.
spontaneum
Identifikation genetischer Variation für Resistenz
Genetische Analyse der Resistenz (qualitativ/quantitativ)
Entwicklung molekularer Marker und markergestützte Introgression in adaptierte Sorten
Entwicklung effektiver Screeningmethoden für Resistenz
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
H. bulbosum
Hordeum sp.
n=30
Markergestützte RückkreuzungPyramidisierung von Resistenzgenen
Genisolation (kartengestützte Klonierung)
Allele mining
Gentransfer in adaptierte SortenAllele editing
Pflanzenzüchterisches Instrumentarium
P1 x P2
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Zuverlässige Selektion auf Einzelpflanzenniveau (A1, F2) im Labor unabhängig von Auftreten und Symptomentwicklung im Freiland in frühen Entwicklungsstadien
Molekulare Marker
Genomsequenzen
Transcriptomics
Metabolomics
Marker type RFLPs Genomic SSRs AFLPsEST
SNPs/SSRs DArTs BOPAs/OPAs iSelectGenotyping by
sequencing
Throughputsingle marker
applicationsingle marker
applicationfew marker application
single markerapplication 6K 1,5K 9K 50K
Multiplexing no mutiplexingfew markersmultiplexing
lowmultiplexing
few markersmultiplexing
platform/ simultaneous
analysis
platform/ simultaneous
analysis
platform/ simultaneous
analysis
platform/ simultaneous
analysis
simultaneousmultiplexingNGS/GBS
Amount of D N A Large amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount low amount
Quality of D N A very good average average average very good very good very good very good very good
Pflanzenzüchterisches Instrumentarium
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
M. Delseny et al. (2010) Plant Sci. 179: 407-422
• längeres Infektionsgeschehen im Herbst (z. B. BYDV)
• anholozyklische Überwinterung (Blattläuse)
• kürzere Winterpause (Blattläuse, Zikaden)
• starke Vermehrung ⇒ große Populationen
• Klimatische Veränderungen, insbesondere Temperaturerhöhung im Herbst / Winter
• Verbot der Saatgutbeizung mit Neonicotinoiden
• Zunehmende Resistenz der Virusüberträger gegenüber insektiziden Wirkstoffen
Insektenübertragene Viren: TuYV, BYDV, WDV
WasserrübenvergiIbungsvirus(TuYV) - eine Gefahr für denRapsanbau?
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
• starke Vermehrung ⇒ große Populationen
E. Schliephake, JKIE. Schliephake, JKI
WDV
TuYV
dlz agarmagazin, August 2016
Ein Massenauftreten von Blattläusen im Herbst 2015 und 2016 hat den
Wasserrübenvergilbungsvirus im Raps wieder in den Fokus gerückt.
Hermann Krauß/agrarheute, 14.07.2017
Rapsanbau?
Fischer et al., Raps 1/2017
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Ryd3 (180 bp)Ryd3 (180 bp)
ryd2
(253
bp)
Ryd2
(311
bp)
ryd2
(253
bp)
Ryd2
(311
bp)
Ryd3
(HVM74)
Ryd2
(YLP + HSP92 II)
´RIL K4-56´ (Ryd3) x ´DH21-136´ (Ryd2 + QTL Post)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Ryd2 Ryd3 QTL+
Ryd2 Ryd3 QTL-
Ryd2 ryd3
QTL+
Ryd2 ryd3 QTL-
ryd2 Ryd3 QTL+
ryd2 Ryd3 QTL-
ryd2 ryd3
QTL+
ryd2 ryd3 QTL-
DH21-136
(Ryd2 ryd3
QTL+)
RIL K4-56
(ryd2 Ryd3 QTL-)
Rub-ina
(ryd2 ryd3
QTL-)
ELI
SA
ext
inct
ion
Allele combination
G F D C E CD A B
BYDV – Pyramidisierung von QTL
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
(ryd2, ryd3, QTL-) (Ryd2, Ryd3, QTL+)Wintergerste, Quedlinburg, April 2008
QTL + (211 bp)
QTL - (218 bp)
QTL + (211 bp)
QTL - (218 bp)
ryd3 (188 bp)ryd3 (188 bp)
QTL Post 2H
(HVCSG)
(HVM74)
rrr rrs rsr srr ssr srs rss sss
No. DH-lines 89 49 45 99 49 77 38 29
Segregation Ryd2/ Ryd3/ Post-QTL
Riedel, C., A. Habekuss, E. Schliephake, R. Niks, I. Broer, F. Ordon, 2011 Theor. Appl. Genet. 123, 69-76.
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
0
0,25
0,5
0,75
1
1996 1998 2000 2002 2004 2005 2006 2007 2008
Sorten ohne Resistenzgen Sorten mit LR37Thatcher NIL-Lr37
Thatcher ohne Resistenz
Prähaustrielle Resistenz: T. monococcumLr37: 2004 2013
Wildarten in der Resistenzzüchtung: Puccinia triticina
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Isolates Lr10 Lr11 Lr17 Lr18 Lr20 Lr28 Lr37 Lr49 T. monococcum T. boeticum
77WxR s s s s s s s s r s
167/176WxR s s s s s s s s r psTommi 1 s s s s s s s s r s
13/20WxR s s s s s s s s r s 4136 ps s s s s r s s r s
s
ps
r
Braunrost Isolate mit Virulenz gegenüber
allen Majorgenen des A-Genoms
0
20
40
60
80
12 24 48 72 96
HM
C/ I
nkec
tion
Zeit nach der Inokulation (h)
Borenos wxr77
Pi272560 wxr77
Anfällige Akzession
Resistente Akzession
Anf
ällig
e A
kzes
sion
Res
iste
nte
Akz
essi
on
24 hai 96 hai 168 hai
24 hai 96 hai 168 hai
HMC
Serfling et al. (2016) Frontiers in Plant Science
Kartierung und Identifikation von QTL
LOD 3.1524.4%
LOD 3.8413.0%
Chitinase (Hordeum vulgare var. distichum) complete
Chitinase 2 - (Hordeum vulgare ) complete
Pathogenesis-related protein 4 (T. monococcum ) 8e-09
Pathogenesis-related 1ª (T. monococcum) 3e-23
Resistance-related receptor-like kinase
(T. aestivum) 5e-31
Phenotyping:
Anzahl Haustorienmutterzellen 72 hai (F2/F3)
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Chr cM Anzahl Marker
1A 217.7 588
2A 260.1 771
3A 171.2 503
4A 111.5 339
5A 236.7 570
6A 232.6 620
7A 258.4 727
Total 1488.3 4118
LOD 3.3216.5%
LOD 3.6213.3%
Beta glucanase prec. (T. aestivum) 1e-40
Pathogenesis-related protein 1-like protein (T. aestivum) 4e-05
Serfling et al. in Vorbereitung
Genomweite Assoziationsstudien (GWAS)
450 Gerste Genotypen
Phänotypisierung Genotypisierung
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Assoziations-Studien
Identifikation von Genomregionen, welchein die Resistenz gegen Netzflecken(Pyrenophora teres) involviert sind
Pyrenophora teres f. teres
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance Novakazi et al. (in Vorbereitung)
Gen Isolation mittels kartengestützter Klonierung
W. Huth
BaYMV/BaMMV- ErtragSorte Reaktion t/ha relativ
Asorbia (6-zeilig) resistent 5,33 100Corona (6-zeilig) anfällig 3,53 65Romanze (2-zeilig) resistent 4,20 100Marinka (2-zeilig) anfällig 2,38 57
10 m2 Parzellen, 3 Wiederholungen; LSD (5%) = 0,25 t/ha und 0,35 t/ha; Ertrag in ATM
Yuka (6-zeilig) resistent 7,66 100Grete (6-zeilig) anfällig 4,10 54Duet (2-zeilig resistent 6,30 100Angora (2-zeilig) anfällig 4,24 67
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
3H 1H(5)
100 cM
Chikurin Ibaraki 1
6H 5H(7)7H(1) 2H 4H
rym7
rym4rym5rym6 rym10
Rym14HB
rym15 rym3
mod. Graner et al. 2000
Rym16HB
rym11rym1rym18
rym13rym12rym9 rym8
Ordon, F. 2009: Barley Genetics Newsletter 39, 58-69, Kai et al. 2012.
Rym17
BaMMV, BaMMV-SIL, BaMMV-Teik, BaYMV, BaYMV-2
Modelkalkulation ökonomische Verluste durch BaMMV/BaYMV
Anbaufläche (2016): 1267000 ha
Ertrag: 7,07 t = 8957690 t
Preis: 140 € per t
Ökonomischer Wert: 1254076600 €
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
50% der Anbaufläche potentiell verseucht (Huth 1988): 633500 ha
Moderate Ertragsverluste 25%: 1119711 t
Ökonomischer Verlust: 156759540 €
1. Mapping of the gene of interest on low to medium resolution
2. Construction of a high resolution mapping population
4. Further marker saturation by using sequence information from rice, sorghum brachypodium and NGS data from barley (GenomeZipper)
3. Phenotyping of segmental RILs (F4) and marker saturation using available high density maps
5. Identification of a BAC contig and candidate genes based on the physical map of barley or re-sequencing of the target interval
6. Identification of rym13 by transformation, TILLING, RNAi
0
0.09
0.53
GBM1015
k0xxx6
k0xxx7
WMS06
Kartengestützte Klonierung
Genisolation mittels kartengestützter Klonierung
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
0.96
1.47
1.64
2.59
3.40
4.22
5.03
5.20
5.25
k0xxx5
k0xxx1
k0xxx2
rym13
k0xxx3
k0xxx4
k0xx10
k0xx11
HVM67
rym13
GBM1015
HVM67
7,25 cM
5.97 cM
Humbroich et
al. 2010
Genisolation mittels kartengestützter Klonierung
W. Huth
BaMMV, BaYMV
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
HvPDIL5-1
Lüpken et al. 2013. Theor. Appl. Genet. 126: 1201-1212
Yang et al. 2014. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1320362111
BaMMV, BaYMVErtragsverluste: 40-50%
T1 - E1 family T1 - E2 family Control
Transgene rym11 Transgene rym11 W757-612
(Res.)
Igri
(Sus.)
Maris Otter
(Sus.)
T1- E1-13
Komplementationsanalyse
Genisolation mittels kartengestützter Klonierung
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
(Res.) (Sus.) (Sus.)
Res. 19† 21 3† 10 19 4† 2†
Sus. 30 0 45 0 0 22 28† escapes the artificial BaMMV-inoculation under greenhouse condition.
Yang et al. 2014. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1320362111
365 Wildgersten (H. spontaneum)
847 Landrassen (H. vulgare)
559 Sorten (H. vulgare)
5 H. agriocrithon
Gesamt = 1816 Akzessionen
Allele mining: rym11
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
1 4 1 28Anzahl Herkünfte mit verschiedenen resistenzbedingenden Allelen
Yang et al. 2014. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1320362111
Development of allele specific markers
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Yang et al. (2014) Theor. Appl. Genet. DOI, 10.1007/s00122i-014-2324-09
Isolierte Virusresistenzgene rym4 und rym11
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Stein, N., D. Perovic, J. Kumlehn, B. Pellio, S. Stracke, S. Streng, F. Ordon, A. Graner, 2005. The Plant Journal 42, 912-922
Allele Editing: Gerichtete Mutagenese unter Verwendung von Endonucleasen
Meganucleases
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Puchta and Fauser (2014) The Plant Journal
ZFNs Zinc-Finger Nucleases
TALENs Transcription Activator-Like Effector Nucleases
CRISPR Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
Cas CRISPR-associated, RNA-guided endonuclase
Weizen - Mehltauresistenz
Allele Editing: Gerichtete Mutagenese unter Verwendung von Endonucleasen
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Zusammenfassung und Ausblick
Hochdurchsatzmarkertechnologien und Genomsequenzen erlauben eine effektive Entwicklung molekularer Marker und die Isolation von Resistenzgenen
Die Kenntniss entsprechender Resistenzgene ermöglicht die Untersuchung großer Genbankkollektionen im Hinblick auf wirkungsvollere Genvarianten (Allele mining) bzw. die Erzeugung neuer Varianten, z.B. mittels CRISPR/Cas (Allele editing), so dass die Selektion in Zukunft auf Allelebene stattfinden kann.
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
in Zukunft auf Allelebene stattfinden kann.
Entsprechende molekulare Marker erlauben eine effektive Kombination von Resistenzen und ermöglichen es, der Resistenzzüchtung im Zusammenspiel mit modernen Züchtungsverfahren (DH-Technologie, Genomische Selektion, etc.) beschleunigt resistente Sorten zu erstellen.
Züchtungsforschung und Resistenzzüchtung können somit einen erheblichen Beitrag zur Optimierung zukünftiger Pflanzenschutzstrategien leisten.
Danke
Dr. Dragan PerovicDr. Ilona KrämerDr. Antje HabekußDr. Christine RiedelDr. Albrech SerflingDr. Thomas LüpkenDr. Doris KopahnkeDr. Monique JürgensFluture Novakazi
Institute for Resistance Research and Stress Tolerance
Fluture Novakazi
Prof. Dr. Wolfgang FriedtProf. Dr. Rod Snowdon
Prof. Dr. Andreas GranerDr. Nils SteinDr. Ping YangDr. Martin Mascher
Prof. Dr. Olga Afanasenko
Dr. Brian Steffenson